DE69628406T2 - Generation of mechanical force by expansion of liquid into vapor - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gewinnen von mechanischer Leistung aus der Expansion einer Flüssigkeit oder eines nassen Dampfes zu Dampf mittels einer Verdrängungsmaschine.The invention relates to a method and a device for extracting mechanical power the expansion of a liquid or a wet steam to steam by means of a displacement machine.

Der hier verwendete Ausdruck Verdrängungsmaschinerie bezieht sich auf eine Maschine oder eine Reihe von zwei oder mehreren Maschinen, bei der oder bei jeder davon mindestens eine Kammer zum Fassen eines Arbeitsfluids zyklisch die folgenden Schritte durchläuft: Aufnehmen einer Füllung des Arbeitsfluids, Schliessen, Vergrößern oder Verkleinern von deren Volumen, Öffnen zur Abgabe der Arbeitsflüssigkeitsfüllung und danach Verringern bzw. Erhöhen ihres Volumens, und zwar auf den Wert, der am Beginn des Zyklus erreicht wurde. Das eingebaute Volumenexpansionsverhältnis, wie es hierin in Bezug auf eine als Expansionseinrichtung verwendete Verdrängungsmaschine verwendet wird, ist das Verhältnis des Maximalvolumens einer Arbeitskammerknapp knapp vor dem Öffnen, zu deren Volumen zu dem Zeitpunkt, bei dem die Kammer geschlossen wird.The term extrusion machinery used here refers to a machine or a series of two or more Machines in which or with each of them at least one chamber for Collecting a working fluid cyclically goes through the following steps: a filling of the working fluid, closing, enlarging or reducing thereof Volume, opening for dispensing the working fluid filling and then decrease or increase of their volume, namely to the value at the beginning of the cycle was achieved. The built-in volume expansion ratio, like it used herein with respect to one as an expansion device displacement machine is the ratio of the maximum volume of a working chamber just before opening their volume at the time the chamber is closed.

Wenn die Maschinerie aus zwei oder mehreren Verdrängungsmaschinen besteht, die in Reihe angeordnet sind, ist das eingebaute Volumenexpansionsverhältnis der Maschinerie das Produkt der eingebauten Volumenexpansionsverhältnisse der einzelnen Maschinen.If the machinery consists of two or several displacement machines , which are arranged in series, the built-in volume expansion ratio is the Machinery the product of built-in volume expansion ratios of the individual machines.

Es ist wohl bekannt, dass die meisten Verdrängungsmaschinen, die als Verdichter verwendet werden, auch in umgekehrter Weise als Expansionseinrichtungen arbeiten können, um eine mechanische Leistungsabgabe zu erzeugen. Folglich wurden typischerweise Doppelschrauben-, Einzelschrauben-, Spiral-, Schaufel- und Kolbenmaschinen sämtlich dafür vorgeschlagen oder auf diese Weise betrieben.It is well known that most Displacement machines, which are used as compressors, also in reverse as Expansion devices can work to provide mechanical power output to create. Consequently, double screw, single screw, Spiral, shovel and piston machines all suggested for or on top of them Operated wisely.

Jedoch wurden in vielen Fällen, wenn derartige Maschinen als Expansionseinrichtungen arbeiteten, deutlich niedrigere Wirkungsgrade erreicht als jene, die erwartet wurden, insbesondere wenn sie zum Expandieren von gesättigten Flüssigkeiten oder nassen Dämpfen verwendet wurden. Die US-Patentschrift Nr. 3 751 673 (Sprankle) beschreibt das Konzept des Verwendens einer Lysholm-Doppelschraubenmaschine zum Expandieren von unter Druck stehenden, heißen Wassers in der Form von geothermischen Solen. In diesem Fall wurden trotz eines größeren Forschungsprogramms maximale adiabatische Wirkungsgrade von etwas über 50% erreicht, während Werte bis zu 75% erwartet wurden, siehe J. Kestin, "Sourcebook on the production of electricity from geothermal energy", DOE/RA/28320-2, August 1982; R. F. Steidel, H. Weis und J. E. Flower, "Characteristics of the Lysholm engine as tested for geothermal applications in the Imperial Valley", J Eng for Power, v 104, S. 231–240, Januar 1982; und R. J. LaSala, R. McKay, P. A. Borgo und J. Kupar, "Test and Demonstration of 1-MW Wellhead Generator: Helical Screw Expander Power Plant, Model 76–1, "Report to the International Energy Agency. DOE/CE-0129 U.S. Department of Energy Div of Geothermal and Hydropower Technology, Washington, D. C. 20585, 1985.However, in many cases, though such machines worked as expansion devices, clearly achieved lower efficiencies than those expected especially when used to expand saturated liquids or wet vapors were. U.S. Patent No. 3,751,673 (Sprankle) describes the concept of using a Lysholm twin screw machine for expanding hot water under pressure in the form of geothermal brines. In this case, despite a larger research program maximum adiabatic efficiencies of just over 50% reached while values up to 75% were expected, see J. Kestin, "Sourcebook on the production of electricity from geothermal energy ", DOE / RA / 28320-2, August 1982; R.F. Steidel, H. Weis and J.E. Flower, "Characteristics of the Lysholm engine as tested for geothermal applications in the Imperial Valley ", J Eng for Power, v 104, pp. 231-240, January 1982; and R.J. LaSala, R. McKay, P.A. Borgo and J. Kupar, "Test and Demonstration of 1 MW Wellhead Generator: Helical Screw Expander Power Plant, Model 76-1, "Report to the International Energy Agency. DOE / CE-0129 U.S. Department of Energy Div of Geothermal and Hydropower Technology, Washington, D.C. 20585, 1985.

Die europäische Patentanmeldung Nr. 0 082 671 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gewinnen von mechanischer Leistung aus der Expansion eines Arbeitsfluids von einem ersten Druck zu einem zweiten, niedrigeren Druck, wobei die Vorrichtung eine Verdrängungsmaschinerie aufweist. Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung eine Vorrichtung, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist. Gemäß einem zweiten Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren, wie es in Anspruch 3 beansprucht ist.European Patent Application No. 0 082 671 describes a method and an apparatus for winning of mechanical power from the expansion of a working fluid from a first pressure to a second, lower pressure, where the device is a displacement machine having. According to one In the first aspect, the invention provides a device as described in Claim 1 is claimed. According to one second aspect, the invention provides a method as claimed 3 is claimed.

Das Ausschließen von Wasser ergibt sich aus seinem sehr hohen Volumenexpansionsverhältnis von dem flüssigen Zustand zu dem dampfförmigen Zustand, das bei normalen Kraftwerkskondensationstemperaturen in der Größe von mehreren Tausend liegt.Water is excluded from its very high volume expansion ratio from the liquid state to the vaporous Condition that at normal power plant condensation temperatures the size of several Thousand lies.

Die Erfindung wird beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen weiter beschrieben, wobei gilt:The invention is exemplified with Further described with reference to the accompanying drawings, where:

1 ist eine graphische Schnittansicht eines Verdichters des Schaufeltyps; 1 Fig. 10 is a sectional graphical view of a vane type compressor;

2 ist ein Graph, der die Druckveränderung mit der Volumenveränderung einer Arbeitskammer eines normalen Verdichters im normalen Betrieb zeigt; 2 Fig. 12 is a graph showing the change in pressure with the change in volume of a working chamber of a normal compressor in normal operation;

3 und 4 sind zu 2 korrespondierende Graphen, die die Effekte einer Beaufschlagung mit zu hohem bzw. zu niedrigem Druck in einem Verdichter zeigen; 3 and 4 are closed 2 corresponding graphs showing the effects of applying too high or too low pressure in a compressor;

5 ist ein Graph, der die erwartete Leistung einer zum Expandieren einer Flüssigkeit verwendeten Verdrängungsmaschine gemäß dem Stand der Technik zeigt; 5 Fig. 12 is a graph showing the expected performance of a prior art displacement machine used to expand a liquid;

6 ist ein Graph, der die tatsächliche Leistung zeigt, die vom Stand der Technik erreicht wird; 6 Figure 3 is a graph showing the actual performance achieved by the prior art;

7 ist ein Graph, der die Leistung zeigt, die durch Anwendung der Erfindung erreicht wird; 7 Figure 3 is a graph showing the performance achieved using the invention;

8 ist ein schematisches Diagramm eines Kühl- oder Kältesystems, bei dem die Erfindung angewendet werden kann; 8th Fig. 3 is a schematic diagram of a cooling or refrigeration system to which the invention can be applied;

9 zeigt eine Modifikation von 8; 9 shows a modification of 8th ;

10 ist ein schematisches Schaltdiagramm einer Wärmepumpe, die die Erfindung enthält; 10 Figure 3 is a schematic circuit diagram of a heat pump incorporating the invention;

11 ist ein schematisches Schaltdiagramm einer Anlage zum Erzeugen von Strom von einer Wärmequelle niedriger Qualität, beispielsweise einer geothermischen Sole; und 11 Fig. 3 is a schematic circuit diagram of a plant for generating electricity from a low quality heat source such as a geothermal brine; and

12 ist ein Temperaturgraph, der über die Entropie des Arbeitszyklus von 11 gezeichnet ist. 12 is a temperature graph that shows the entropy of the work cycle of 11 is drawn.

1 zeigt schematisch einen herkömmlichen Verdichter des Schaufeltyps als ein Beispiel einer Verdrängungsmaschine. Andere Beispiele sind die oben erwähnte Lysholm-Schraubenmaschinen, Einzelschraubenverdichter, Verdichter mit begrenzten Schaufeln (constrained-vane compressors), Hubkolben-Zylinder-Maschinen. Der gezeigte Verdichter hat ein Statorgehäuse 1 mit einem zylinderförmigen Innenbereich 2 mit einer Achse 3, einer kleineren Öffnung 4, die den Auslass des Verdichters bildet, und einer größeren Öffnung 5, die den Einlass bildet. 1 schematically shows a conventional vane type compressor as an example of a displacement machine. Other examples are the Lysholm screw machines mentioned above, single screw compressors, constrained-vane compressors, reciprocating-cylinder machines. The compressor shown has a stator housing 1 with a cylindrical interior 2 with one axis 3 , a smaller opening 4 , which forms the outlet of the compressor, and a larger opening 5 that forms the inlet.

Ein zylinderförmiger Rotor 6 mit einem kleineren Durchmesser als der Innenbereich 2 ist darin angebracht, um sich um eine Achse 7 zu drehen, die mit der Achse 3 parallel ist, aber von dieser beabstandet ist. Laufschaufeln 8 sind verschiebbar in äquidistanten Taschen 9 in dem Rotor angeordnet und werden während sich letzterer dreht nach außen gedrückt, um einen dichtenden Kontakt mit der Innenwand des Gehäuses herzustellen und so den Raum zwischen dem Rotor 6 und dem Gehäuse 1 in einen Satz von Arbeitskammern 10a bis 10h aufzuteilen, wobei das Volumen einer jeden von diesen von einem Minimum zwischen Positionen 10a und 10b zu einem Maximum zwischen Positionen 10e und 10f variiert. Der Rotor wird in die Richtung des Pfeils 11 angetrieben, wenn er als Verdichter verwendet wird. Wenn er als eine Expansionseinrichtung verwendet wird, bildet die Öffnung 4 den Einlass und die Öffnung 5 den Auslass, und lässt den Rotor in die umgekehrte Richtung drehen.A cylindrical rotor 6 with a smaller diameter than the interior 2 is attached to it around an axis 7 to rotate that with the axis 3 is parallel but is spaced from it. blades 8th can be moved in equidistant pockets 9 are arranged in the rotor and are pressed outwards as the latter rotates in order to make sealing contact with the inner wall of the housing and thus the space between the rotor 6 and the housing 1 into a set of work chambers 10a to 10h split, the volume of each of these from a minimum between positions 10a and 10b to a maximum between positions 10e and 10f varied. The rotor turns in the direction of the arrow 11 driven when used as a compressor. When used as an expansion device, the opening forms 4 the inlet and the opening 5 the outlet, and rotates the rotor in the opposite direction.

Bei der Verwendung als Verdichter folgen die Prozesse, die bei einer Gas- oder Dampfverdichtung beteiligt sind, dem in 2 gezeigten Pfad. Die Einleitung des Arbeitsfluids erfolgt bei einem näherungsweise konstanten Druck (Bereich PQ) bei einem Wert, der geringfügig niedriger ist als der in der Einlassöffnung oder einer Verteilereinrichtung 5, gefolgt von einer Verdichtung (Bereich QR) auf den gewünschten Abgabedruck durch Volumenreduzierung (RS) und dann Abgeben unter einem näherungsweise konstanten Druck, der geringfügig höher ist als der in der Zuführ-Verteilereinrichtung. Die Druckdifferenzen zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Maschine während des Ansaugens und Abgebens sind relativ klein und können in erster Näherung vernachlässigt werden.When used as a compressor, the processes involved in gas or steam compression follow that in 2 shown path. The working fluid is introduced at an approximately constant pressure (range PQ) at a value which is slightly lower than that in the inlet opening or a distributor device 5 , followed by compression (area QR) to the desired discharge pressure by volume reduction (RS) and then discharge under an approximately constant pressure that is slightly higher than that in the feed manifold. The pressure differences between the inside and the outside of the machine during suction and discharge are relatively small and can be neglected in a first approximation.

Die Massenstromrate durch die Maschine ist größtenteils durch das von der Maschine überstrichene Volumen bestimmt. In der Praxis ist das wahre induzierte Volumen geringfügig niedriger als der überstrichene Wert auf Grund einer Rückwärts-Leckströmung des Fluids zwischen den Schaufeln, den Rotoren oder dem Kolben und dem Gehäuse in das Füllvolumen, was durch den Druckradienten, der durch den Verdichtungsprozess erzeugt wird, induziert wird. Diese Differenz wird als Volumenwirkungsgrad oder als Verhältnis des induzierten Fluidvolumens zu dem überstrichenen Volumen in der Maschine während des Füllprozesses ausgedrückt. Bei Verdichtern des Schraubentyps, wo das Freiraumvolumen vernachlässigbar ist, kann dieses bei der Größe von 95% liegen.The mass flow rate through the machine is mostly by the volume swept by the machine certainly. In practice, the true induced volume is slightly lower than the swept value due to a backward leakage flow of the Fluids between the blades, the rotors or the piston and the casing in the filling volume, what by the pressure gradient, by the compression process is generated, induced. This difference is called volume efficiency or as a relationship of the induced fluid volume to the swept volume in the Machine during the filling process expressed. For screw type compressors where the free space is negligible this can be at the size of 95% lie.

Bei Verdichtern kann das eingebaute Volumenexpansionsverhältnis näherungsweise als der Wert ausgewählt werden, der benötigt wird, um den Druck von einem Ansaugwert zu einem Abgabewert gemäß der Beziehung von Druck zu Volumen, die für den angenommenen Verdichtungsprozess geeignet ist, zu erhöhen, d. h. mit oder ohne Flüssigkeitseinspritzung oder externe Wärmeübertragung. Falls der angenommene Wert nicht richtig ist, gibt es an der Position (R) in dem Verdichtungsprozess, wo der Abgabeprozess beginnt, entweder eine zu hohe Druckbeaufschlagung des Fluids, wie in 3 gezeigt ist, oder eine zu niedrige Druckbeaufschlagung, wie in 4 gezeigt ist. In beiden Fällen sind die Auswirkungen auf die Verdichterleistung und den Verdichterwirkungsgrad relativ niedrig.For compressors, the built-in volume expansion ratio can be selected approximately as the value needed to increase the pressure from a suction value to a discharge value according to the pressure-to-volume relationship appropriate for the assumed compression process, ie with or without liquid injection or external heat transfer. If the assumed value is not correct, there is either too much pressurization of the fluid at position (R) in the compression process where the dispensing process begins, as in FIG 3 is shown, or pressurization too low, as in 4 is shown. In both cases, the impact on compressor performance and efficiency is relatively low.

Im Falle von Verdrängungsmaschinen, die als Expansionseinrichtungen verwendet werden, wäre es ein vernünftiger Anfangspunkt für die Konstruktion, anzunehmen, dass die Abfolge der beteiligten Prozesse ungefähr umgekehrt zu denen des Verdichters ist, wie es in 5 gezeigt ist. Eine detailliertere Analyse in Verbindung mit der Erfindung hat jedoch gezeigt, dass sich der Pfad der Prozesse bei einer Expansionseinrichtung signifikant von dem bei einem Verdichter unterscheidet, insbesondere wenn das Arbeitsfluid in die Maschine als eine gesättigte Flüssigkeit oder ein nasser Dampf eintritt, und dass sich der optimale Wert des eingebauten Volumenexpansionsverhältnisses deutlich mehr von dem unterscheidet, der benötigt wird, die umgekehrte Druckänderung bei einem Verdichter zu bewirken, als man vernünftigerweise von einer vereinfachten Analyse annehmen könnte. Außerdem hat die Auswahl des falschen Werts tief greifende Effekte auf die Größe, die Geschwindigkeit und den Wirkungsgrad der Expansionseinrichtung.In the case of displacement machines used as expansion devices, it would be a reasonable starting point for the design to assume that the sequence of processes involved is roughly the reverse of that of the compressor, as shown in 5 is shown. However, a more detailed analysis in connection with the invention has shown that the path of the processes in an expansion device differs significantly from that in a compressor, especially when the working fluid enters the machine as a saturated liquid or a wet vapor, and that the optimal value of the built-in volume expansion ratio differs significantly from that which is required to bring about the reverse pressure change in a compressor than could reasonably be expected from a simplified analysis. In addition, the selection of the wrong value has profound effects on the size, speed and efficiency of the expansion device.

Die Unterschiede zwischen den Prozessen, die von der Annahme eines umgekehrten Verdichters hergeleitet werden, sind in 5 gezeigt und können aus 6 und 7 gefolgert werden. Wie man sieht, sind die Abweichungen groß. Die Gründe dafür kann man wie folgt erklären:
Erstens kann man sehen, dass der Füllprozess TU mit einem signifikanten Druckabfall und folglich einer Expansion verbunden ist. Dies geschieht, da das Fluid, das durch eine Einlassöffnung beschleunigt wird, Bewegungsenergie erhält. Dieser Bewegungsenergieanstieg ist bei nassen Fluiden viel größer als bei Gasen, da die nassen Fluide viel dichter sind.
Zweitens folgt, da das Fluid an dem Ende der Maschine mit dem hohen Druck eingelassen wird, dass die induzierte Fluidmasse stark von dem eingebauten Volumenexpansionsverhältnis abhängt und zunimmt, während das Volumenverhältnis verringert wird. In diesem Fall tritt eine Leckströmung in der gleichen Richtung wie die Fluidmengenströmung auf. Folglich expandiert das Fluid durch die Freiräume zwischen den Schaufeln, den Rotoren oder den Kolben und dem Gehäuse sogar, wenn sich der Rotor der Expansionseinrichtung nicht dreht oder die Kolben nicht verlagert werden. Folglich ist die induzierte Volumenströmungsrate höher als das durch die Schaufeln, die Rotoren oder die Kolben während des Füllprozesses überstrichene Volumen. Die Leckrate hängt hauptsächlich von den Freiräumen zwischen den Schaufeln, den Rotoren oder den Kolben und dem Gehäuse ab und ist größtenteils von dem eingebauten Volumenexpansionsverhältnis und der eingebauten Volumenexpansionsgeschwindigkeit unabhängig. Es folgt, dass, falls das eingebaute Volumenexpansionsverhältnis verringert wird, die Leckströmung ein kleinerer Anteil des Ge samtstroms wird und folglich sein Einfluss auf die Maschinenleistung reduziert ist.
The differences between the processes derived from the assumption of an inverted compressor are shown in 5 shown and can from 6 and 7 be inferred. As you can see, the deviations are big. The reasons for this can be explained as follows:
First, it can be seen that the filling process TU is associated with a significant pressure drop and consequent expansion. This happens because the fluid, which is accelerated through an inlet opening, receives kinetic energy. This increase in kinetic energy is much greater with wet fluids than with gases, since the wet fluids are much denser.
Secondly, since the fluid is admitted to the end of the machine at the high pressure, the induced mass of fluid strongly depends on the built-in volume expansion ratio and increases as the volume ratio decreases. In this case, leakage flows in the same direction as the fluid flow. As a result, the fluid expands through the clearances between the blades, the rotors, or the pistons and the housing even when the rotor of the expansion device is not rotating or the pistons are not being displaced. Consequently, the induced volume flow rate is higher than the volume swept by the blades, rotors or pistons during the filling process. The leak rate mainly depends on the clearances between the blades, the rotors or the pistons and the housing and is largely independent of the built-in volume expansion ratio and the built-in volume expansion speed. It follows that if the built-in volume expansion ratio is reduced, the leakage flow becomes a smaller part of the total flow and consequently its influence on the machine performance is reduced.

Während die Geschwindigkeit der Expansionseinrichtung erhöht wird, wird zusätzlich die Bewegungsenergiezunahme des Fluids beim Strömen durch die Einlassöffnung größer. Folglich steigen der Druckabfall und die Expansion, die mit dem Füllprozess verbunden sind. Die Dichte des induzierten Fluids wird darum reduziert, und daher steigt der Massenstrom durch die Maschine nicht so schnell, wie man durch Erhöhen der Maschinengeschwindigkeit erwarten würde.While the speed of the expansion device is increased, will be additional the kinetic energy increase of the fluid when flowing through the inlet opening is greater. consequently the pressure drop and expansion increase with the filling process are connected. The density of the induced fluid is therefore reduced and therefore the mass flow through the machine does not increase as quickly, how to increase the machine speed would expect.

In 6 ist die Expansion beim Füllprozess so groß, dass das Fluid überexpandiert wurde (YV), bevor der Abgabeprozess beginnt. Diese Überexpansion kann entweder durch Betreiben der Expansionseinrichtung bei einer zu hohen Geschwindigkeit oder durch ein zu großes eingebautes Volumenexpansionsverhältnis verursacht werden. Was auch immer die Ursache ist, man kann deutlich sehen, dass sie die Fläche von positiver Arbeit (P) reduziert und ferner eine große Fläche von negativer Arbeit (N) in dem Druck-Volumen-Diagramm erzeugt und folglich eine doppelt nachteilige Auswirkung auf den Wirkungsgrad der Expansionseinrichtung hat, die viel größer ist als eine äquivalente, zu hohe Druckbeaufschlagung bei einem Verdichter.In 6 the expansion in the filling process is so great that the fluid has been overexpanded (YV) before the dispensing process begins. This overexpansion can be caused either by operating the expansion device at too high a speed or by a too large built-in volume expansion ratio. Whatever the cause, it can clearly be seen that it reduces the area of positive work (P) and also creates a large area of negative work (N) in the pressure-volume diagram and consequently has a double adverse effect on the Has efficiency of the expansion device, which is much larger than an equivalent, too high pressurization with a compressor.

In 7, die von der Erfindung Gebrauch macht, kann man auch sehen, dass am Ende des Expansionsprozesses UV der Fluiddruck größer ist (über VW) als während des Abgabeprozesses (WX). Folglich gibt es einen kleinen Verlust an potenzieller Arbeit auf Grund der Unterexpansion (rechts von VW).In 7 Using the invention, it can also be seen that at the end of the UV expansion process, the fluid pressure is greater (above VW) than during the dispensing process (WX). As a result, there is a small loss of potential work due to under-expansion (right of VW).

Ein weiteres Merkmal, das die Leistung aller Verdrängungsmaschinen beeinflusst, ob sie in dem Expansionsmodus oder in dem Verdichtermodus arbeiten, ist innere Reibung. In allen Fällen steigen die damit verbundenen Wirkungsgradverluste mit der Geschwindigkeit. Die beste Konstruktion einer Expansionseinrichtung wird darum einen Kompromiss zwischen der Notwendigkeit nach einer hohen Geschwindigkeit, um Leckverluste zu minimieren, und einer niedrigen Geschwindigkeit, um Reibung zu minimieren, ein großes eingebautes Volumenexpansionsverhältnis, um Verluste auf Grund von Unterexpansion zu verringern, und ein kleines Volumenverhältnis, um die Bedeutung von Leckeffekten zu minimieren, umfassen, während der Massestrom maximiert wird und dadurch die Größe der Expansionseinrichtung auf einem Minimum gehalten wird.Another characteristic that is performance of all displacement machines affects whether they are in the expansion mode or in the compressor mode working is internal friction. In all cases, the associated increases Loss of efficiency with speed. The best construction an expansion device is therefore a compromise between the need for high speed to avoid leakage minimize, and a low speed to reduce friction minimize a big one built-in volume expansion ratio to make up for losses of under expansion, and a small volume ratio to decrease to minimize the importance of leakage effects during the Mass flow is maximized and thereby the size of the expansion device is kept to a minimum.

Das optimale eingebaute VolumenexpansionsverhältnisThe optimal built-in volume expansion ratio

Da man sich Leistungseinbußen sowohl durch Überexpansion als auch durch Unterexpansion zuzieht, könnte man darum folgern, dass die besten Ergebnisse erhalten werden, wenn der Druck am Ende der Expansion genau dem benötigten Abgabedruck entspricht. In der Praxis gibt es für eine gegebene Maschinengröße, die bei einer spezifizierten Geschwindigkeit arbeitet, eine Wahl zwischen einem niedrigen eingebauten Volumenexpansionsverhältnis mit einer infolgedessen hohen induzierten Massenströmung und relativ niedrigen Leckverlusten, aber einigen Verlusten auf Grund von Unterexpansion, und einem höheren eingebauten Volumenexpansionsverhältnis mit einer niedrigeren induzierten Massenströmungsrate und höheren Leckverlusten, aber einem geringen oder keinen Verlust auf Grund von Unterexpansion. Ein Erhöhen der Drehzahl erhöht die innere Expansion des Füllprozesses und erlaubt damit ein noch niedrigeres eingebautes Volumenexpansionsverhältnis, aber erhöht die Reibungsverluste. Wenn alle diese Effekte gleichzeitig betrachtet werden, hat man herausgefunden, dass, falls etwas Unterexpansion zugelassen wird, Konstruktionen für eine hohe Drehzahl und einem niedrigen eingebauten Volumenexpansionsverhältnis, das niedriger ist als das für Alternativen mit einer vollständigen Expansion bei niedriger Drehzahl benötigte, die höchsten adiabatischen Gesamtwirkungsgrade erreichen. Wenn die Auswirkung der Expansion während des Füllprozesses einbezogen wird, wird klar, dass das benötigte eingebaute Volumenexpansionsverhältnis für eine optimale Größe und einen optimalen Wirkungsgrad viel niedriger ist als das des Gesamtexpansionsprozesses vom Eintritt in die Maschine zum Austritt aus der Maschine.Because you look at both performance losses through overexpansion as well as underexpansion, one could conclude that The best results are obtained when the pressure at the end of the Expansion exactly what is needed Discharge pressure corresponds. In practice, for a given machine size, there is that working at a specified speed, a choice between with a low built-in volume expansion ratio a consequently high induced mass flow and relatively low leakage losses, but some losses due to under-expansion, and a higher built-in Volume expansion ratio with a lower induced mass flow rate and higher leakage losses, however little or no loss due to under-expansion. An increase the speed increases the internal expansion of the filling process and thus allows an even lower built-in volume expansion ratio, however elevated the friction losses. If all of these effects are considered at the same time , it has been found that if there is some underexpansion is allowed designs for high speed and one low built-in volume expansion ratio, which is lower than that for Alternatives with a complete Low speed expansion needed the highest adiabatic Achieve overall efficiency. If the impact of expansion while the filling process is included, it becomes clear that the built-in volume expansion ratio required for an optimal Size and one optimal efficiency is much lower than that of the overall expansion process from entering the machine to exiting the machine.

Numerische Werte für diese Differenz erhält man, wenn man das Ersetzen eines Drosselventils in zwei großen industriellen Kühleinheiten entweder durch eine Einschraubenexpansionseinrichtung oder durch eine Zweischraubenexpansionseinrichtung betrachtet, um mechanische Leistung zu erzeugen.Numerical values for this Difference one when you are replacing a throttle valve in two large industrial cooling units either by a single screw expansion device or by considered a two-screw expander to mechanical Generate power.

Die in 8 gezeigte Kältemaschineninstallation ist insoweit herkömmlich, als dass sie einen Antriebsmotor M dessen Welle 21 einen Verdichter zum Verdichten von Kühlmitteldampf von einem Verdampfer 23 antreibt, der Wärme von einem Kühlkreis 24 abführt. Der Verdichter 22 liefert heißen, verdichteten Dampf an einen Kondensator 25, wo er durch einen Wärmetauscher, der Flüssigkeit in einem Kühlkreis 26 aufweist, zu einer Flüssigkeit gekühlt und kondensiert wird.In the 8th Chiller installation shown is conventional in that it has a drive motor M whose shaft 21 a compressor for compressing refrigerant vapor from an evaporator 23 drives the heat from a cooling circuit 24 dissipates. The compressor 22 delivers hot, compressed steam to a condenser 25 where it passes through a heat exchanger, the liquid in a cooling circuit 26 has, cooled to a liquid and condensed.

Herkömmlicherweise würde das Flüssigkühlmittel seinen Druck reduzieren, indem es durch ein Drosselventil 27 strömt, aber stattdessen wird es hier durch eine Zweiphasenexpansionseinrichtung 28 gemäß der Erfindung (von Flüssigkeit zu Dampf) expandiert. Die Leistungsabgabe der Expansionseinrichtung 28 wird auf eine Welle 29 aufgebracht, um entweder direkt oder über ein Getriebe den Motor M beim Antreiben des Verdichters 22 zu unterstützen.Traditionally, the liquid coolant would reduce its pressure by passing through a throttle valve 27 flows, but instead it is here through a two-phase expansion device 28 expanded according to the invention (from liquid to vapor). The output of the expansion facility 28 is on a wave 29 applied to the motor M either directly or via a gearbox when driving the compressor 22 to support.

Das Gesamtvolumenverhältnis einer Expansion eines Verdichters kann als das Verhältnis des spezifischen Volumens am Auslass zu dem spezifischen Volumen am Einlass des Verdichters definiert werden, wobei das spezifische Volumen das Volumen einer Substanz pro Masseeinheit ist.The total volume ratio of one Expansion of a compressor can be called the ratio of the specific volume at the outlet to the specific volume at the inlet of the compressor can be defined, where the specific volume is the volume of a Is substance per unit of mass.

9 zeigt eine Modifikation von 8, bei welcher die Zweiphasenexpansionseinrichtung 28 derart angeordnet ist, um einen zweiten Dampfverdichter 30 anzutreiben, der zu dem Hauptverdichter 22 parallel geschaltet ist. Sowohl die Expansionseinrichtung 28 als auch der zweite Dampfverdichter 30 sind vom Lysholm-Doppelschraubentyp. Die Verwendung des Kühlmittels 134A als Arbeitsfluid führt zu den folgenden Ergebnissen: 9 shows a modification of 8th , in which the two-phase expansion device 28 is arranged to a second steam compressor 30 to drive that to the main compressor 22 is connected in parallel. Both the expansion device 28 as well as the second steam compressor 30 are of the Lysholm double screw type. Using coolant 134A as the working fluid leads to the following results:

Figure 00100001
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In beiden Fällen wurde geschätzt, dass die adiabatischen Wirkungsgrade der Expansionseinrichtungen über 75% sind.In both cases it was estimated that the adiabatic efficiency of the expansion devices over 75% are.

Zusätzlich zum Ersetzen des Drosselventils bei industriellen Kühlmaschinen können Verdrängungsexpansionseinrichtungen für die gleiche Funktion bei großen Wärmepumpen und Kühlhäusern auf identische oder ähnliche Weise verwendet werden, wie beispielsweise in 10 gezeigt ist.In addition to replacing the throttle valve in industrial refrigeration machines, positive displacement expansion devices can be used for the same function in large heat pumps and cold stores in an identical or similar manner, as for example in FIG 10 is shown.

Bei der in 10 gezeigten Anordnung ist der Hauptverdichter ein zweistufiger Verdichter, der einen durch einen Motor M1 angetriebenen Niederdruckverdichter 41 umfasst, dessen Abgabe durch eine Leitung 42 an den Einlass des Hochdruckverdichters 43 der zweiten Stufe geliefert wird. Die Abgabe des Kondensators 25 strömt durch ein Drosselventil 44 zum teilweisen Expandieren in eine Dampf/Flüssigkeits-Separationseinrichtung 45, von welcher der Dampf durch eine Leitung 46 an die Leitung 42 geliefert wird, die den Einlass des Hochdruckverdichters 43 versorgt.At the in 10 The arrangement shown is that the main compressor is a two-stage compressor, which is a low-pressure compressor driven by a motor M1 41 includes its delivery through a line 42 to the inlet of the high pressure compressor 43 the second stage is delivered. Delivery of the capacitor 25 flows through a throttle valve 44 for partial expansion into a vapor / liquid separation device 45 from which the steam flows through a pipe 46 to the management 42 is delivered to the inlet of the high pressure compressor 43 provided.

Die Flüssigkeit der Separationseinrichtung 45 wird an den Einlass der Expansionseinrichtung 28 geliefert, deren Auslass an den Einlass des Verdampfers 23 angeschlossen ist. Die Abgabewelle 46 der Expansionseinrichtung ist derart angeschlossen, um einen Zweistufenverdichter 47 anzutreiben, der aus zwei hintereinander geschalteten Schraubverdichtern besteht, die als eine Niederdruckstufe 48 und eine Hochdruckstufe 49 konstruiert sind. Die Niederdruckstufe erhält von dem Verdampferauslass über eine Leitung 50 Dampf, und die Abgabe der Hochdruckstufe 49 wird durch eine Leitung 51 an den Einlass des Kondensators 25 geliefert.The liquid of the separation device 45 is at the inlet of the expansion device 28 supplied, the outlet of which is at the inlet of the evaporator 23 connected. The output shaft 46 the expansion device is connected to a two-stage compressor 47 to drive, which consists of two screw compressors connected in series, which act as a low pressure stage 48 and a high pressure stage 49 are constructed. The low pressure stage receives from the evaporator outlet via a line 50 Steam, and the delivery of the high pressure stage 49 is through a line 51 to the inlet of the condenser 25 delivered.

Der Kreis 26 ist, der durch Abziehen von Wärme aus dem Kreis 24 zu beheizende Kreis, wenn er als eine Wärmepumpe verwendet wird.The circle 26 is by extracting heat from the circle 24 circuit to be heated when used as a heat pump.

Derartige Maschinen können auch als die Hauptexpansionseinrichtung in einem System zur Wiedergewinnung von Energie von Wärmequellen niedriger Oualität, beispielsweise geothermischer Solen, verwendet werden, die von den Erfindern als das trilaterales Schnellverdampfungszyklus (Trilateral Flash Cycle – TFC) -System bezeichnet werden. In 11 ist der Kreis gezeigt, und sein Zyklus ist in 12 gezeigt. In diesem Fall sind die Temperaturveränderungen und folglich die Volumenverhältnisse viel größer, und folglich werden zwei oder mehrere Expansionsstufen benötigt, die in Reihe arbeiten. Ein typisches Beispiel davon ist, wie es in 11 gezeigt ist, der Fall einer Versorgung einer heißen Sole in Form einer gesättigten Flüssigkeit mit einer Temperatur von 150°C, die gegenwärtig in einer Schnellverdampfungsanlage von nassen Dampf getrennt wird und mit dieser Temperatur wieder in den Boden geleitet wird. Eine Studie zeigte, dass durch Leiten der Sole von einer Leitung mittels Gegenströmungswärmeaustausch mit dem Arbeitsfluid durch einen TFC-Primärwärmetauscher 51 sie zuerst entlang dem Pfad AB auf 45°C gekühlt werden kann, bevor sie wieder eingeleitet wird, und eine Energie von 3,8 MW konnte aus der davon abgezogenen Wärme gewonnen werden. In diesem Fall ist das Arbeitsfluid in dem System n-Butan mit einer Temperatur an dem Einlass der Expansionseinrichtung 52 von 137°C und einer Kondensationstemperatur in einem Kondensator 53 von 35°C, wobei dessen Kondensat von einer Speisepumpe 54 unter Druck gesetzt wird und an den Wärmetauscher 51 zurück geliefert wird. Ein großes zweistufiges Doppelschraubenexpansionssystem (das einen Generator G antreibt) wurde als das am besten für diesen Zweck geeignete betrachtet, wobei dessen Hauptmerkmale folgende sind:Such machines can also be used as the main expansion device in a system for recovering energy from low quality heat sources, such as geothermal brines, which the inventors refer to as the trilateral flash cycle (TFC) system. In 11 the circle is shown and its cycle is in 12 shown. In this case the temperature changes and consequently the volume ratios are much larger and consequently two or more expansion stages are needed which work in series. A typical example of this is how it is in 11 is shown the case of supplying a hot brine in the form of a saturated liquid with a temperature of 150 ° C., which is currently separated from wet steam in a rapid evaporation plant and is returned to the soil at this temperature. A study showed that by passing the brine from a line using countercurrent heat exchange with the working fluid through a TFC primary heat exchanger 51 it can first be cooled to 45 ° C along path AB before being reintroduced, and an energy of 3.8 MW could be obtained from the heat extracted from it. In this case the working fluid in the system is n-butane with a temperature at the inlet of the expansion device 52 of 137 ° C and a condensation temperature in a condenser 53 of 35 ° C, its condensate from a feed pump 54 is pressurized and to the heat exchanger 51 is delivered back. A large two-stage twin screw expansion system (which drives a generator G) was considered the most suitable for this purpose, the main features of which are:

Figure 00120001
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Folglich wurde ein Gesamtvolumenexpansionsverhältnis von 34,8 : 1 bei zwei Stufen mit einem eingebauten Gesamtvolumenverhältnis von nur 11,5 : 1 erreicht, was zu einem relativen Verhältnis von 11,5/34,8 = 33% führt.As a result, a total volume expansion ratio of 34.8: 1 for two stages with a built-in total volume ratio of only reached 11.5: 1, resulting in a relative ratio of 11.5 / 34.8 = 33% leads.

Unter Berücksichtigung von inhärenten Wiedererwärmungseffekten bei mehrstufigen Expansionseinrichtungen beträgt der adiabatische Gesamtwirkungsgrad dieser Expansionsanordnung 82,2%, wobei der Wert gut mit dem einer Trockendampfturbine von gleichwertiger Leistungsabgabe übereinstimmt. Man stellt fest, dass derartig hohe Wirkungsgrade nicht mit Schraubverdichtern erhalten werden können, die direkt über gleiche Druckdifferenzen arbeiten, und dass die Nettosystemabgabe um 35% höher ist als die, die für ein alternatives konventionelles Kraftwerk, das für die gleiche Funktion angeboten wird, geltend gemacht wird.Taking inherent reheating effects into account for multi-stage expansion devices, the overall adiabatic efficiency is this expansion arrangement 82.2%, the value well with the one Dry steam turbine of equivalent power output matches. It is found that such high levels of efficiency cannot be achieved with screw compressors can be obtained the directly above same Pressure differences work and that the net system levy by 35% is higher than those for an alternative conventional power plant that works for the same Function is offered, is asserted.

Claims (4)

Vorrichtung zum Gewinnen von mechanischer Leistung aus der Expansion eines Arbeitsfluids, außer Wasser, von einem flüssigen Zustand bei einem ersten Druck zu Dampf bei einem zweiten, niedrigeren Druck, wobei die Vorrichtung eine Verdrängungsmaschine (1; 28) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das eingebaute Volumenexpansionsverhältnis der Verdrängungsmaschine (1; 28) zwischen 10 und 50% des Gesamtvolumenexpansionsverhältnisses beträgt, die das Fluid bei der Druckreduktion zwischen dem Eintritt in die Maschine und dem Austritt aus der Maschine erfährt.Device for deriving mechanical power from the expansion of a working fluid, other than water, from a liquid state at a first pressure to steam at a second, lower pressure, the device comprising a displacement machine ( 1 ; 28 ), characterized in that the built-in volume expansion ratio of the displacement machine ( 1 ; 28 ) is between 10 and 50% of the total volume expansion ratio that the fluid experiences during the pressure reduction between the entry into the machine and the exit from the machine. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das eingebaute Verhältnis zwischen 20 und 40% des Gesamtexpansionsverhältnisses ist.The device of claim 1, wherein the built-in relationship is between 20 and 40% of the total expansion ratio. Verfahren zum Gewinnen von mechanischer Leistung aus der Expansion eines Arbeitsfluids, außer Wasser, von einem flüssigen Zustand bei einem ersten Druck zu Dampf bei einem zweiten, niedrigeren Druck, wobei das Verfahren die Verwendung einer Verdrängungsmaschine (1; 28) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das eingebaute Volumenexpansionsverhältnis der Verdrängungsmaschine (1; 28) zwischen 10 und 50% des Gesamtvolumenexpansionsverhältnisses des Fluids bei der Druckreduktion zwischen dem Eintritt in die Maschine und dem Austritt aus der Maschine beträgt.A method of deriving mechanical power from the expansion of a working fluid, other than water, from a liquid state at a first pressure to steam at a second, lower pressure, the method using a positive displacement machine ( 1 ; 28 ), characterized in that the built-in volume expansion ratio of the displacement machine ( 1 ; 28 ) is between 10 and 50% of the total volume expansion ratio of the fluid in the pressure reduction between the entry into the machine and the exit from the machine. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das eingebaute Verhältnis zwischen 20 und 40% des Gesamtexpansionsverhältnisses ist.The method of claim 3, wherein the built-in ratio between Is 20 and 40% of the total expansion ratio.
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